“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)中工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)

王 霞，姚 遠(yuǎn)

(西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，陜西西安 710049)

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程是高等院校電類專業(yè)學(xué)生的必修課，由于課程內(nèi)容繁多，理論概念抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)普遍感到困難。為了讓學(xué)生盡快地理解與掌握課程學(xué)習(xí)中的基本理論與基本分析方法，教師可以在授課過程中滲透一些工程思想和工程實(shí)踐項(xiàng)目，為學(xué)生提供一些多樣化的學(xué)習(xí)平臺(tái)，并讓其參與到工程實(shí)踐項(xiàng)目中去。以此加強(qiáng)工程物理含義的理解與體會(huì)，通過實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生學(xué)會(huì)觀察現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)規(guī)律的科學(xué)方法，提高學(xué)生分析問題和解決實(shí)際問題的能力，從而提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力［1］。

1 課程教學(xué)改革

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的實(shí)驗(yàn)是配合課程教學(xué)同期進(jìn)行的，主要針對(duì)一些基礎(chǔ)理論知識(shí)所展開的一些基本實(shí)驗(yàn)，以提高教學(xué)效果和所學(xué)者邏輯思維能力的培養(yǎng)［2］。我們?cè)谡n程學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行了以下的改革。

(1)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)充分體現(xiàn)時(shí)代性和先進(jìn)性，構(gòu)建成一套理論完整、信息量大和實(shí)踐性強(qiáng)的課程教學(xué)內(nèi)容新體系;

(2)加強(qiáng)工程物理意義的理解與體會(huì)，提高分析能力與科學(xué)思維能力;

(3)通過實(shí)驗(yàn)來加深對(duì)分析工具的理解，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的目的;

(4)強(qiáng)調(diào)“教師是主導(dǎo)，學(xué)生是主體”的原則;

(5)采用現(xiàn)代化教學(xué)手段與傳統(tǒng)教學(xué)方法相結(jié)合，改變以往單一的教學(xué)模式。

目前開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為指導(dǎo)性與自主性兩種，前者學(xué)生在指導(dǎo)教師的幫助下掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念與基本思路，并對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)予以了解與掌握;后者為學(xué)生完全自主地項(xiàng)目設(shè)計(jì)并建立實(shí)驗(yàn)體系與構(gòu)架，從而鍛煉他們的創(chuàng)新意識(shí)與工程設(shè)計(jì)能力。

2 綜合實(shí)踐項(xiàng)目

本校信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目支持下，已配備了美國NI公司的LabVIEW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集卡MyDAQ。開設(shè)的綜合實(shí)踐項(xiàng)目和創(chuàng)新項(xiàng)目可以建立在LabVIEW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和MyDAQ數(shù)據(jù)采集卡上。

實(shí)驗(yàn)框架體系如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)將待處理的信號(hào)進(jìn)行提取和調(diào)理后送入采集卡進(jìn)行模數(shù)變換，在LabVIEW上完成信號(hào)的分析、處理與顯示。

圖1 實(shí)驗(yàn)框圖

為了使學(xué)生能盡快地參與到這一實(shí)踐項(xiàng)目中，我們首先給出了一些引導(dǎo)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。開放的綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)有如下項(xiàng)目。

(1)基于采集卡的鋼琴調(diào)音系統(tǒng)軟件化實(shí)現(xiàn);

(2)基于數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字收音機(jī)設(shè)計(jì);

(3)基于LabVIEW下的OFDM通信系統(tǒng);

(4)生物脈搏信號(hào)的分析與測量系統(tǒng);

(5)耦合諧振回路的時(shí)頻域特性分析;

(6)信號(hào)加窗處理對(duì)信號(hào)時(shí)頻域特性的影響;

(7)有源/無源回路傳遞函數(shù)的測量;

(8)頻率采樣FIR濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

3 鋼琴調(diào)音系統(tǒng)軟件化項(xiàng)目實(shí)例

綜合實(shí)踐項(xiàng)目的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鋼琴調(diào)音原理結(jié)構(gòu)圖

1)項(xiàng)目背景

鋼琴調(diào)音一般都是由專業(yè)的調(diào)音師來完成的，由于人耳受生理、心理和客觀條件的影響，不能做到精準(zhǔn)的調(diào)音。利用信號(hào)處理技術(shù)與先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)智能化的調(diào)音處理系統(tǒng)，將經(jīng)驗(yàn)性調(diào)音轉(zhuǎn)化為數(shù)字化調(diào)音，不失為具有應(yīng)用價(jià)值的設(shè)計(jì)方案。

2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備

(1)MyDAQ數(shù)據(jù)采集卡和stereo audio端口各一個(gè);

(2)麥克風(fēng)和耳機(jī)各一付，分別用于采集、輸出音頻信號(hào);

(3)裝了LabVIEW軟件的電腦一臺(tái)，用于對(duì)采集好的音頻信號(hào)進(jìn)行處理，包括樂音預(yù)處理、樂音檢測、樂音的時(shí)頻域分析和頻率誤差分析等。

3)實(shí)驗(yàn)方案

(1)鋼琴鍵音的采集—將鋼琴音的模擬信號(hào)通過Audio in端送入MyDAQ數(shù)據(jù)采集卡。鋼琴音的頻率范圍為27.50Hz～4186.00Hz。采集參數(shù)在相關(guān)軟件LabVIEW中設(shè)置。

(2)鍵音信號(hào)的預(yù)處理—預(yù)加重的目的是提升高頻部分，以保持在低頻到高頻的整個(gè)頻帶中，能用同樣的信噪比求頻譜，以便于頻譜分析或聲道參數(shù)分析，降低鋼琴信號(hào)基音檢測時(shí)的噪聲干擾。

(3)鋼琴鍵音的檢測—具體方法就是短時(shí)能量和短時(shí)過零率檢測法。短時(shí)能量函數(shù)可用來區(qū)分語音的清音段和濁音段，對(duì)于清音，多數(shù)能量集中在較高頻率上，意味著較高的過零率，利用短時(shí)過零率可以從背景噪聲中找出樂音信號(hào)。

(4)誤差分析—在LabVIEW界面前面板中設(shè)置要檢測的音頻頻率，通過檢測處理顯示實(shí)測頻率值，實(shí)測頻率值的相對(duì)誤差以及信號(hào)的時(shí)域、頻域的波形。為調(diào)音人員提供數(shù)據(jù)參考。

4)實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將MyDAQ數(shù)據(jù)采集卡通過USB端口與PC機(jī)相連;

(2)在MyDAQ的Audio in端口插入麥克風(fēng)用于音頻信號(hào)的獲取;

(3)利用LabVIEW軟件對(duì)音頻信號(hào)采集的后續(xù)處理進(jìn)行編程設(shè)計(jì);

(4)觀察運(yùn)行結(jié)果圖，分析鋼琴是否音準(zhǔn)。

3 結(jié)論

通過這一實(shí)踐項(xiàng)目可使學(xué)生以系統(tǒng)的角度了解信號(hào)分析與處理中的基本概念，以趣味應(yīng)用提升教學(xué)體驗(yàn)，以自主的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力。從而全面提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和邏輯分析能力。

［1］林萍華，中國大學(xué)再認(rèn)識(shí)，［J］.南京:2010電子電氣課程報(bào)告論壇論文集

［2］馬賽等，“信號(hào)與系統(tǒng)”課程群的建設(shè)與教學(xué)改革探索［J］.長沙:高等教育研究學(xué)報(bào)，2010年01期

［3］徐赟，從創(chuàng)新教學(xué)到高效科研－－統(tǒng)一的圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，ProfessorDay 2011